盾构法与顶管法

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1、第二章 盾构法与顶管法盾构是在软岩和土体中进行隧道施工的专门机具，使用盾构机开挖隧道的方法称为盾构法。顶管法是将分节预制好的地下管道（或小型隧道）在土层中顶进，穿越障碍物的一种施工方法。盾构法和顶管法是软土地层中隧道暗挖施工的两类主要方法。盾构法隧道前进是依靠设在盾尾的一组千斤顶克服盾构机重和周围土体产生的正面和侧壁的摩阻力，千斤顶支撑在已拼装好的环形隧道衬砌上，每拼装一环管片，千斤顶向前推进一个衬砌环间宽度。理论上，盾构法施工隧道，前进阻力不受隧道长度增加而增加。顶管法的推力来自始发工作井内作用在后背井壁上的分组千斤顶，千斤顶将装有切口和支护开挖装置的工具管顶出工作井井壁，以工具管为先导，逐

2、步将预制好的管节按设计轴线顶人土层中，直至工具管后的第一个管节进人目标工作井。顶管法推进的阻力随管道长度的增加而增加。为了克服长距离顶管顶进力不足，常在管道中间设置一个至几个中继接力间或采取其他减少摩阻力措施。这两类工法的共同特点1）除竖井外，地面作业很少，隐蔽性好，因噪声、振动引起的环境影响小；2）隧道及管道施工费用和技术难度基本上不受覆土深浅的影响，适合建造覆土深的隧道；3）穿越河底或湖、海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候的影响；4）穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围环境可不受施工影响；5）自动化程度高，劳动强度低，施工速度快、安全。在施工工艺上，两种工法也有许多共同特点：

3、l）都必须先在地面建造始发工作井，进出工作井的封门和土体加固技术；2）开挖工作面采用土压、气压、泥水或机械平台平衡开挖面的技术；3）挖土、土渣材料的运输方式；4）防排水及安全保护措施；5）地面沉降，对环境的扰动。顶管法一般用于修建排水管、敷设煤气管、输油管、动力电缆和通讯电缆的管道、地下交通隧道及桥梁的墩台等，这些管道的内径一般都在23m。内径太大和太小的管道顶进都较困难，因而都是目前顶管技术研究的方向。口径超过4石m的管道，一般自重过大，且在市内输送时超过限量规定，故常在现场预制；口径超过3m的较长距离顶管综合经济效益不如盾构法施工；直径小于0.6m的顶管，人员不能到达工作面，必须借助电视等

4、实行远距离操作、自动控制，习惯称为微形顶管。顶管法施工与盾构法施工相比有突出的优点：1）管段整体预制，结构强度易保证；2）管段制作、养护工艺在工厂完成，混凝土管壁可有较好的水密闭性能；3）与盾构法隧道相比，接缝大为减少，容易使接缝达到密闭防水要求；4）管道纵向受力性能较好，能适应地层的变形；5）不需要二次衬砌，工序简单；6）内壁光洁，作为输水隧道时，流水阻力减小。第一节 盾构法施工一、盾构机的组成与分类盾构掘进机一般由盾构壳、推进千斤顶、正面支撑机构、挖土及运输组、衬砌拼装机构、液压系统、操作系统、注浆系统和盾尾装置等组成。盾构机的盾壳是由钢板焊接成壳体，在盾壳掩护下，进行土体开挖、衬砌拼装等

5、隧道施工的工序。盾壳可分为切口环、支承环和盾尾三部分，见图2-1。图 2-1 盾构的构成1切口部分。它位于盾构的最前端，施工时切人地层，掩护开挖作业。切口环前端设有刃口，以减少切土时对地层的扰动。切口环的长度主要取决于支撑、开挖方法的挖土机具和操作人员回旋余地大小。大部分手掘式盾构切口顶部比底部长，就像帽檐一样，有的还设有千斤顶操纵的活动前檐，以增加掩护长度。网格式盾构在切口环上装有钢网格，正面支承千斤顶和活动帽檐，机械式盾构则前端装有刀盘和铲斗。在局部气压、泥水加压和上压平衡式盾构中，其切口部分的压力高于隧道内部的常压，故切口与支撑之间需用密闭隔板分开。2支承环部分。支承环紧接于切口环后，位

6、于盾构的中部，是一个刚性较好的圆形结构。地层土压力、所有千斤顶的顶力以及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支承环承担。支承环的外沿布置盾构推进千斤顶。拼装机用于拼装管片衬砌，主要设备有举重臂、真圆保护器等。大型盾构占用空间较大，所有液压动力设备、操纵控制台、衬砌拼装器（举重器）等都往往布置在这里，中小盾构则可把部分设备移至盾构后面的车架上。当切口环内压力高于常压时，在支承环内要布置人行加压和减压闸。图 2-2 盾尾密封装置3盾尾部分。盾尾一般由盾构外壳钢板延长构成，主要用于掩护隧道衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌之间进人盾构内。盾尾密封装置损坏时，

7、还要在盾尾部分进行更换，因此，盾尾的长度要满足以上各项工作的进行。盾尾厚度从结构上考虑应尽可能减薄，但盾尾除承受上压力外，遇到隧道纠偏及弯道施工时，还有一些难以估计的施工荷载，受力情况复杂，所以其厚度应综合上述因素来确定。4盾壳外径与衬砌外径间的建筑空隙，在满足盾构纠偏要求的前提下应尽量减小。盾尾密封装置要将经常变化的空隙加以密封，因此材料要富有弹性，构造形式要求耐磨损、耐撕裂。以往采用过橡胶板或橡胶板两面加弹簧钢板的复合板，还试用过充气车胎、尼龙毛刷等，但均未取得理想的效果。特别是盾尾压注水泥浆的盾构，密封装置更易损坏。目前除了摸索新的密封形式外，一般采用多道、可更换的盾尾密封装置，如图2-

8、2所示。当前多采用多道弹簧钢板和钢丝刷组成的密封装置，同时在钢丝刷上涂满油膏。油膏在盾构推进中有损耗，需不断补充。盾构机可分为以下四类1手掘式盾构手掘式盾构构造简单，配套设备较少，因而造价低。其开挖面可以根据地质条件全部敞开，也可以采取正面支撑随开挖随支撑。在某些疏散的砂性地层，还可以按照土的摩擦角将开挖面分为几层，这时，就把盾构称为棚式盾构。手掘式盾构的主要优点：（1）正面是敞开的，施工人员随时可以观察地层变化情况，及时采取应付措施；（2）当在地层中遇到桩、孤石等地下障碍物时，比较容易处理；（3）可以向需要方向超挖，容易进行盾构纠偏，也便于在隧道的曲线段施工；（4）造价低，结构设备简单，易制

9、造。它的主要缺点有：（1）在含水地层中，当开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水、气压或地层加固等措施；（2）工作面若发生塌方和沼气爆炸事故时，易引起危及人身及工程安全的事故；（3）劳动强度大，效率低、进速慢，在大直径盾构中尤为突出。手掘式盾构尽管有上述不少缺点，但由于简单易行，目前在地质条件较好的工程中仍广泛应用。2挤压式盾构挤压式盾构分为全挤压及半挤压两种，前者是将手掘式盾构的开挖工作面用胸板封闭起来，把土层挡在胸板外，这样就比较安全可靠，没有水、砂涌人及土体坍塌的危险，并省去了出土工序；后者是在封闭上局部开孔，当盾构推进时，土体从孔中挤人盾构，装车外运，劳动条件比手掘式盾构大为改善，效率也

10、成倍提高，见图2-3。图 2-3 挤压式盾构图 2-4 网格式盾构1-盾构千斤顶(推进盾构用); 2-开挖面支撑千斤顶; 3-举重臂(拼装装配式钢筋混凝土衬砌用); 4-堆土平台(盾构下部土块由转盘提升后落入推土平台); 5-刮板运输机,土块由堆土平台进入输出; 6-装配式钢筋混凝土衬砌; 7-盾构钢壳; 8-开挖面钢网格; 9-转盘; 10-装土车挤压式盾构仅适用于软可塑的粘土层，适用范围比较狭窄。全挤压施工由于有较大隆起变形，只能用于空阔的地段或河底、海滩等处；半挤压施工虽然能在城市房屋、街道下进行，但对地层扰动大，地面变形也很难避免，这是挤压式盾构的缺点。网格式盾构是一种介于半挤压和手掘

11、式之间的盾构形式。这种盾构在开挖面装有钢制的开口格栅，称为网格。当盾构向前推进时，土被网格切成条状，进人盾构后运走如图24。当盾构停止推进时，网格起到挡土作用，有效地防止了开挖面坍塌。这种盾构对土体的挤压作用比挤压式盾构小些。网格式盾构也只适用于软可塑的粘性土层，地层含水时，尚需辅以降水、气压等措施。3半机械式盾构半机械式盾构系在手掘式盾构正面装上挖土机械来代替人工开挖。根据地层条件，可以安装反铲挖土机或螺旋切削机。如果土质坚硬，可安装软岩掘进机的切削头子。半机械式盾构的适用范围基本上和手掘式一样，其优缺点除可减轻工人劳动强度外，均与手掘式相似。4机械式盾构机械式盾构是手掘式盾构的切口部分，安

12、装与盾构直径同样大小的大刀盘，以实现全断面切削开挖。若地层能够自立或采取辅助措施后能自立，可用开胸机械式盾构，如果地层较差，则可采用下列几种阔胸机械式盾构。（1）开胸机械切削盾构。当地层能够自立，或采用辅助措施后能够自立时，在盾构切口部分，安装与盾构直径相适宜的大刀盘，以进行全断面开胸机械切削。星形的刀盘辐条后面没有胸板封闭图 2-5 局部气压盾构1-气压内出土运输系统; 2-皮带运输机; 3-排土抓斗; 4-出土斗; 5-运土车; 6-运送管片单轨; 7-管片; 8-管片拼装器; 9-伸缩接头（2）局部气压盾构。这种盾构（见图25）系在开胸机械式盾构的切口环和支承环之间装上隔板，使切口环部分

13、形成一个密封舱，舱中通人压缩空气，以平衡开挖面的土压力代替在隧道内加压的全气压施工。这样衬砌拼装和隧道内其它施工人员就不在气压舱内工作，无疑有很大的优越性。局部气压盾构的一些技术问题，目前尚未很好解决。例如，从密封舱内连续出土的装置，还存在漏气和寿命不长等问题；盾尾密封装置还不能完全阻止气压舱内的压缩空气通过开挖面经外壳从盾尾泄露；管片接缝漏气等，故目前世界各国应用不多。在江、河、海底进行盾构法隧道施工，如果覆盖土层薄，为防止塌顶和地表水涌人，采用压缩空气支撑开挖面常常是必需的。（3）泥水加压式盾构。局部气压盾构的技术难题是连续出土和压缩空气的泄露问题。地层在同样压力差及同样间隙条件下，漏气量

14、要比漏水量大80倍之多。因此，若在上述局部气压密封舱内改通入泥水（泥浆），既可大大减少盾尾的漏气，同时刀盘切削下来的土，还可利用泥水通过管道输送到地面处理，这就解决了从密封舱内连续出土的问题，这些优点都是显而易见的。但泥水盾构的配套设备多，首先要有一套自动控制和泥水输送的系统，还要有专门的泥水处理系统，所以泥水加压盾构的设备费用较大。以5m直径的中型盾构为例，假定泥水盾构本身的投资为100，则其控制系统的投资也需100，地面泥水处理的投资还需100。设备投资比一般机械化盾构高，这是它的主要缺点。（4）土压平衡式盾构。这种盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构（见图26），是在上述两种机械化盾构的基

15、础上发展起来的。这种盾构的前端也有一个全断面切削刀盘，盾构的中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出土口则在密封舱外。所谓土压平衡，就是用刀盘切削下来的土，如同压缩空气或泥水一样充满整个密封舱，并保持一定压力来平衡开挖面的土压力。螺旋运输机的出土量（用它的转速控制）要密切配合刀盘的切削速度，以保持密封舱内始终充满泥土，而又不致过于饱满。这种盾构避免了局部气压盾构的主要缺点，也省略了投资较大的泥水盾构所需的输送和处理设备，因此，是一种发展中的最新型盾构。土压平衡式盾构机应用比较广泛，种类也比较多。图 2-6 土压平衡式盾构1-刀盘用油马达; 2-螺旋运输机; 3-螺旋运输机油马达; 4-皮带运

16、输机; 5-闸门千斤顶; 6-管片拼装器; 7-刀盘支架; 8-隔壁; 9-紧急用出入口（5）混合形盾构（Mixsllield）。混合形盾构就是把隧道岩石掘进机（TBM，Tunnel Boring Machine）与软土的盾构机相结合，造出既能用于岩石地层，也可用于软土的新型隧道掘进机，图2-7为有代表性的一种。为了适应软土层的粉细砂、中砂、粗砂、淤泥、粉质粘土、风化砂岩等多变的地层条件，我国广州地铁采用了混合型的泥水平衡盾构和混合形土压平衡盾构。即通过改进刀盘的刀具型式、刀具开口进土率、泥土排除外运和分离装置，吸收两种盾构机特点，以适应不同地质和环境条件的影响。图2-7 混合形盾构图2-8

17、异形盾构(6)异形盾构。上海隧道股份有限公司使用国产矩形盾构施工完成了黄浦江行人观光隧道的出人通道，日本东京地铁12号线使用了三心圆泥水盾构。三心圆泥水盾构是由三台圆形盾构机排列组合成一体，中心大刀盘直径为8.846m，两侧盾构机外径为814m，相互交叠后总的高度达17.440m。为适合 R125m弯曲曲线推进，机器装有活动铰接合机构（铰的角度2）。机身总长11.020m，工作面单位面积推力为179kN，总推力150000kN。有四台电机用于盾构机操作管片的拼装、钢主柱的架设，设备的总重量达2600t。盾构机身和车架总长约275m，中部为137m，主要用于建造乘客在两端进出的车站。站台部分的衬

18、砌由钢管片组成，乘客的通道由柔性的钢筋土管片组成，见图2-8。图2-8 异形盾构二、盾构法施工工艺过程使用盾构法施工，施工工艺流程如图2-9。始发工作井建造进出工作井洞口土体加固处理盾构吊运、装配、试车管片制作螺栓制作架设后座支撑基座凿除封门开挖、顶进50m后拆除吊环、100m后调整施工强度，设定推压力出井进洞现场粘贴防水胶带推进千斤顶顶进挖土调整舱内土压力拼装衬砌、注浆姿态调整，循环往复土体改良联络通道施工最后50m轴线校正、调整盾构出洞进工作井嵌缝、封孔、堵漏装修、设备安装验 收图2-9 盾构隧道施工流程（一）盾构的组装基坑或工作井 在盾构施工段的始端，要布置基坑或井，用以进行盾构的安装工

19、作。若盾构推进线路特别长时，还应设置检修工作井，这些井和基坑应尽量结合隧道规划线路上的通风井、设备井、地铁车站、排水泵房以及立体交叉、平行交叉、施工方法转换处来设置。作为拼装室用的井，其建筑尺寸应根据盾构装施工要求来确定，其宽度一般应比盾构直径酌情减小，井的长度方向（沿推进方向）要考虑盾构设备安装的要求。目前，中、小盾构的动力装置、配电设备大部分布置在盾构后面的设备车架上。若考虑安装全部设备车架，会使工作井尺寸过长。一般盾构可采用临时操纵措施安装部分车架，但确定井的长度时也要考虑将来转换成全套车架的方便。从施工要求考虑，井的宽度具有盾构安装尺寸已够，而长度则要考虑在盾构前面拆除洞门封板和在盾构

20、后面布置后座和垂直运输所需的尺寸。此外，为方便进行洞门与衬砌间空隙的充填、封板工作及临时后座衬砌环与盾构导轨间的填实工作，在盾构下部至少应留有1m左右高度的空间。工作井可以用沉井（箱）法施工，也可连续墙支护（桩排墙支护）、锚喷支护明挖法施工，视工程地质和水文地质情况而定。盾构基座 盾构基座在井内用作安装及稳妥地搁置盾构，更重要的是通过设在基座上的导轨使盾构在施工前获得正确的导向。因此，导轨需要根据隧道设计、施工要求定出的平面及高程位置进行测量定位。基座可以采用现浇钢筋混凝土或钢结构，导轨由两根或多根钢轨组成。基座除承受盾构自重外，还应考虑盾构切人地层后，进行纠偏时产生的集中荷载。（二）盾构开挖

21、盾构开挖方式可分为敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输，这是软土地层盾构掘进的基本过程。1敞开式开挖手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖，这种方式适于地质条件好，开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施时能维持稳定的情况，其开挖程序一般是从顶部开始逐层向下挖掘。若土层较差，还可以借助千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。根据切口长度的不同，每环可分数次开挖和推进。支撑千斤顶常设计成差压式，即在保持支撑力的条件下可以缩回，以确保支撑效能。采用敞开式开挖，处理孤立障碍物、纠偏、超挖均比其他方式容易。为尽

22、量减少对地层的扰动，要适当控制超挖量与暴露时间，土质较差时尤应注意。2机械切削开挖这里主要指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘（简称大刀盘）开挖方式。过去也用过一些由多个小盘组成的所谓行星式刀盘，以及千斤顶操纵的摆动式刀盘，但目前大都采用以液压或电动机作动力的可双向转动切削的大刀盘。根据地质条件的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板的及有封板的两种。前者适用于土质较好的条件，如我国黄土高原使用的“DW2.52”黄土洞掘进机，即为无封板刀盘形式。大刀盘切削开挖配合运土机械（皮带机、刮板机、转盘。螺旋运输机等）可使土方从开挖到装车运输部实现机械化。大刀盘开挖方式，在弯道施工或纠偏时不如敞开式便于超挖（有

23、些刀盘装有周边超挖刀来弥补其不足）。此外，清除障碍物也显得困难些，特别是装有封板的大刀盘更显不便。使用大刀盘的盾构机械构造复杂，消耗动力较大，但这种盾构是实现隧道施工机械化、减轻体力劳动的必然方向。目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方式。3网格式开挖采用这种开挖方式时，开挖面由阿格梁与格板分成许多格子。开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力（与主动土压相等）而产生的。当盾构推进时，克服这项阻力，土体就从格子里呈条状挤出来。要根据土的性质，调节网格的开孔面积。格子过大会丧失支撑作用；格子过小则会引起对土层的挤压扰动等不利影响。我国在大面积使用大、中型盾构过

24、程中，曾在网格后面布置提土转盘，把土提到盾构中心的刮板机头部，然后装车外运。实践证明，这种出土方式效率高、效果好。网格式开挖一般不能超前开挖，全靠调整千斤顶编组进行纠偏。采用网格开挖时，在所有千斤顶缩回后，会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降，因此，施工时务必采取有效措施，防止盾构后退。根据施工经验，每环推进结束后采取维持顶力（使盾构不进不推）屏压510min，可有效防止盾构后退。此外，拼装管片时，要使一定数量的千斤顶轴对称地轮流维持顶力，以防盾构后退。在确定网格式盾构的推力时，应计及开挖面土体主动上压力引起的阻力以及网格梁、隔板切人土层的阻力。4挤压式开挖全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出

25、土或只部分出土，对地层有较大的扰动，在考虑施工轴线时，应尽量避开地面建筑物。局部挤压施工时，要精心控制出土量（土质不同，出土量也不同，一般宜作实地试验），以减少和控制地表变形。全挤压施工时，盾构把四周一定范围内的土体挤密实。由于只有上部有自由面，所以大部分上体被挤向地表面，部分土体则挤向盾尾及盾构下部。因此盾尾建筑空隙可以自然得到充填，不需要再进行衬砌壁后注浆。根据施工的观察与测量，挤向盾尾的土体对初出盾尾的衬砌产生的环向荷载是不小的。挤压施工时，由于可以把开挖面全部封闭起来，在盾尾密封效果良好的条件下，可以不采取其他辅助施工措施，而且不出土、不压浆，能在土质塑性大、空隙比较大、有流动性的地层

26、中达到较高的施工速度。挤压推进时，盾构有明显的上浮趋势，正面又不能超挖，只能凭调整千斤顶编组来纠偏。遇到纠偏困难时，在正面阻力较大处，可以打开封板挤出部分土来调整阻力。因此，常在正面封板的各个方位设置可启闭的出土闸门。（三）隧道衬砌的拼装软土地层盾构施工的隧道衬砌，通常采用预制拼装的形式：对于防护要求甚高的隧道，也有采用整体浇注混凝土的。整体浇注衬砌施工繁琐，进度较慢，目前已逐渐被复合式衬砌取代。复合式衬砌在成洞阶段先采用较薄的预制衬砌，然后再浇注混凝土内衬，以满足防护要求。预制拼装衬砌是由称为“管片”的多块弧形预制构件拼装而成。管片可采用铸铁、铸钢、钢筋混凝土等材料制成的各种构件形式。通常，

27、盾构及衬砌结构确定之后，其拼装方法也就大致决定了。管片拼装方法根据结构受力要求，分为通缝拼装和错缝拼装两种。通缝拼装，管片的纵缝要环环对齐，拼装较为方便，易定位，衬砌环施工应力小，但环面不平整的误差容易累积起来，特别是采用较厚的现浇防水材料时，更是如此。若结构设计需要采用衬砌本身来传递圆环内力时，宜采用错缝拼装，即衬砌圆环的纵缝在相邻圆环环间错开l2l3管片。这种管片的环纵缝可设计成榨形连接，以利拼装。错缝拼装的隧道比通缝拼装的隧道整体性强，但由于环面不平整，常引起较大的施工应力，防水材料也常因压密不够面渗漏水。管片拼装方法按其程序，可分为“先纵后环”和“先环后纵”两种。先环后纵法是：拼装前将

28、所有盾构千斤顶缩回，管片先拼装成圆环，然后用千斤顶使拼好的圆环纵向靠拢（与已成环连接成洞）。这种方法拼装的环面较为平整，纵缝拼装质量好，但对易产生后退现象的盾构，不宜采用。先纵后环的拼装方法可以有效地防止盾构后退，即拼装某一块管片时，就只缩回该管片部分的千斤顶，其它千斤顶则轴对称地支撑或升压。这样逐块轮流缩回与伸出部分千斤顶，直至拼装成环。在整个拼装过程中，要求控制盾构位置不变。管片拼装常用举重臂来进行。举重臂可以根据拼装要求完成旋转、径向伸缩、纵向移动等操作，有的还装有可以微动调节的装置。无论是采用先纵后环还是先环后纵的方法，举重臂均能迅速、方便地完成作业，其操作顺序是：自上而下，左右交叉，

29、最后封顶成环。若采用将衬砌管片纵向插入拼装的方法，举重臂沿隧道轴向的移动距离要加长。（四）衬砌壁后压浆为防止地表沉降，必须将盾尾和衬砌之间的建筑空隙及时压浆充填。压浆还可以改善隧道衬砌的受力状态，增强衬砌的防水效能，因此，是盾构施工的关键工序。压浆有以下几种方法，主要应根据地层条件选用。1二次压注。这种压注工艺是当盾构推进一环后，立即用风动压注机通过管片的压注孔，向衬砌壁后的建筑空隙注人豆粒砂，以防止地层的坍塌。继续推进数环（58环）后，再用压浆泵将水泥类浆体灌人砂间空隙，使之团结。二次压注法施工繁琐，压注豆粒砂不易保证密实，尤其是拱顶部分，此外灌注水泥浆时也难填满。地表沉降量略大，后期常需进

30、行补充压浆，但这对保护盾尾密封装置有利。2一次压注。若地层条件较差，盾尾空隙一出现就会发生坍塌时，则希望盾尾空隙内始终保持一定的压力。在这种情况下宜采用一次压注法，即随着盾尾空隙的出现，立即压注水泥村浆，并保持一定压力。一旦压浆出现故障，盾构也要暂停推进。这种工艺对盾尾密封装置要方较高，易产生盾尾漏浆，必须准备采取有效的堵漏措施。3三次压注。同步压浆填充盾尾间隙，管片脱出盾尾过程中快速压浆；二次压浆在3d后，防止浆液失水、流失，土体压缩变形引起沉降；三次压浆发现明显的地表沉陷趋势或隧道严重渗漏时，可在相应区间进行补充压浆。根据施工经验，压浆数量同注人压力及要求控制的地表沉降有关，一般为理论计算

31、建筑空隙体积的110180。压浆要对称于衬砌环进行，尽量避免单点超压注浆，以减少衬砌环的不均匀施工荷载。注浆压力一般为0.51.OMPa。（五）盾构法施工的运输、供电、通风和排水1运输。隧道内需运输的材料有开挖的土方、管片、压浆材料，以及隧道延伸所需的枕木、钢轨、走道板、管道等。运输方式分为水平运输和垂直运输。水平运输大都采用轻型窄轨（轨距a刀mm），以蓄电池式电机车牵引。在运距长、坡度陡战情况下，可采用内燃机车。隧道内的水平运输线，可通过竖井内的罐笼或货运电梯等垂直运输工具与地面联系。整个运输系统要根据施工现场的具体条件，进行合理的设计与布置。2供电。盾构施工时，除了要重视盾构本身及井下设备

32、的供电外，对地面降水用水泵、气压用空压机等的供电也务必充分保证，否则会因断电招致重大工程事故。供电系统要考虑足够的备用系数，还应采用多路电源供电的办法。供电线路及设备要有良好的安全措施，并经常维修检查。如果外电源供电参数不足时，工地上要采取补偿措施，必要时要布置临时发电站，其发电量以保证工程及人身安全为主。例如，维持降水的水泵用电量；气压盾构维持工作面气压的空压机电量；隧道内照明以及维持工程安全的设备用电量，以及保证撤出施工人员的电梯、罐笼、讯号用电量等。这些保证供电项目，要明确地反映到工程的施工组织设计中去。3通风。盾构施工均为独头巷道的形式，为此，应根据工作面实际操作人数，供给新鲜空气，并

33、注意调节工作面的温度与湿度。隧道内使用电焊、气割、化学灌浆堵漏时应加大通风量。一般采用矿用通风机，考虑一定距离的接力，送到开挖面。气压式盾构直接利用加压管路接往开挖面，以保证空气清新。大断面隧道的工作面还可以布置若干排风扇。气压盾构隧道的排气管宜布置在隧道后部，以利隧道内换气。地层中含有沼气、瓦斯等易燃、易爆气体时，除加强盾构机密闭措施外，还应加强通风。对有害气体应进行监测，并降低到可能爆燃的浓度以下。4排水。隧道施工用水、渗漏水以及工作面涌水应迅速排除，以保证盾构机械的安全操作。隧道内积水一般先排人工作井，再用专设的抽水系统排至地面。为减少隧道施工所需的排水设备可将盾构推进的线路设计成上坡推

34、进，使积水能自动流人工作井的集水坑。对于有上下纵坡转换的隧道，要在最低点布置临时水泵，通过管道将水排往工作井的集水坑。使用气压式盾构时，可利用压力差排除气压段积水。若闸墙处于隧道低端，要在常压段闸墙附近另设排水设施。盾构施工的排水，是保证工程质量和进度的重要环节进行施工组织设计时房必进行周密的筹划和安排。三、盾构法存在的问题盾构法隧道建设对地面干扰小，施工速度快、安全、机构化和自动化程序高等优点是显而易见的，也是今后城市软土地层隧道建设的发展方向。但盾构法隧道也存在一系列的缺点和施工难点，主要表现在：（1）盾构掘进机引起土体的变形走动、孔隙水压力波动、过大的地面沉降和隆起；（2）盾构在地下“蛇

35、行”前进，方向控制不准，纠偏困难；（3）超大直径、超小直径、矩形、异形、双圆形、球形盾少见，无法适应各类交通、上下水、热力等市政工程的隧道建设需要。（4）缺少高精度、高度自动化机械化、适用于长距离快速施工、易于操作和使用的盾构。缺少适应于岩层、软弱土层、流砂、沼气等复杂工程地质和水文地质条件的盾构机。（5）盾构机造价昂贵；（6）盾构法隧道衬砌和接缝渗漏水，隧道后期沉降过大。第二节 顶管法施工一、常用机具设备顶管法施工常用机具设备有工具管、液压千斤顶、顶铁、工作台与棚架。1工具管的形式目前较常使用的顶管工具管有手掘式、挤压式、局部气压水力挖土式、泥水平衡式和多刀盘土压平衡式等几种。手掘式顶管工具

36、管为正面敞胸，要用人工挖土，如图2-10所示。挤压式顶客工具管正面有网格切土装置或将切口刃脚放大，由此减小开挖面，采用挤土顶进，如图2-11所示。切土刃脚纠偏千斤顶法兰圈纠偏千斤顶法兰圈图2-10 手掘式顶管工具管图2-11 挤压式顶管工具管L-工具管长度约1.6m；D-工具管外径； l-喇叭口长度；h1-土斗车轮高度；d-喇叭口小口直径；h2-纠偏千斤顶高度工具管长度约1m图2-12 局部气压水力挖土式顶管工具管1-刃脚；2-格栅；3-照明灯；4-胸板；5-真空压力表；6-观察窗；7-高压水仓；8-垂直铰链；9-左右纠偏油缸；10-水枪；11-小水密门；12-吸口格栅；13-吸泥门；14-阴

37、井；15-吸管进口；16-双球活接头；17-上下纠偏油缸；18-水平铰链；19-吸泥管；20-气闸门；21-大水密门；22-吸泥管闸阀；23-泥浆环；24-清理阴井；25-管道；26-气压局部气压水力挖土式顶管工具管正面设有网格并在其后设置密封舱，在密封舱中加适当气压以支承正面土体，密封舱中设置高压水枪和水力扬升机用以冲挖正面土体，将冲下的泥水吸出并送入通过密封舱隔墙的水力运泥管道排放至地面的贮泥水池，如图2-12所示。泥水平衡式顶管工具管正面设置刮土刀盘，其后设置密封舱，在密封舱中注入稳定正面土体的护壁泥浆，刮土刀盘刮下的泥土沉入密封舱下部的泥水中并通过水力运输管道排放至地面的泥水处理装置，

38、如图2-13所示。图2-14 多刀盘土压平衡式顶管工具管图2-13 泥水平衡式顶管工具管多刀盘土压平衡式顶管工具管头部设置密封舱，密封隔板上装设数个刀盘切土器，顶进时螺旋器出土速度与工具管推进速度相协调，如图2-14所示。3顶铁a)b)c)图2-15 顶铁示意图a) 矩形顶铁； b)圆形顶铁； c)弧形顶铁顶铁是顶管过程中传递顶力的工具，它呆延长千斤顶的行程，并且扩大管节端部的承压面积；顶铁由各种型钢制成，其强度和刚度应经过核算。顶铁根据安放位置与使用作用的不同，可分成顺铁、横铁和立铁。顺铁在顶进过程中与顶镐的行程长度配合传递顶力，在顶镐与管子之间陆续安放。顶铁的形式一般有矩形、圆形、弧形等，

39、其断面参见图2-15。图2-16 卷扬机起重台与棚架示意图1-棚架；2-卷扬机；3-活动盖板；4-滚轮轨； 5-方木；6-槽钢；7-工字钢；8-工作坑撑木4工作台与棚架工作台搭设在工作井的顶面，主梁采用型钢，上面铺设15cm15cm方木，作为承重平台，中间留有下管和出土的方孔为平台口，在平口上设活动盖板，装有滚动轮与导轨。棚架是在卷扬机起重架外面罩以防雨棚，见图2-16。二、顶管法施工程序顶管法施工过程如下：先在管道设计路线上施工一定数量的小基坑作为顶管工作井（大多采用沉井），作为一段顶管的起点与终点，工作井的一面或两面侧壁设有圆孔作为预制管节的出口与入口。顶管出口孔壁对面侧墙为承压壁，其上安

40、装液压千斤顶和承压垫板。千斤顶将带有切口和支护开挖装置的工具管顶出工作井出口孔壁，然后以工具管为先导，将预制管节按设计轴线逐节顶入土层中，直至工具管后第一段管节的前端进入下一节作井的井口孔壁，这样就施工完了一段管道，继续上一施工过程，一条管线就施工完毕。图2-17为普通顶管施工布置示意图。中心桩撑木管子内涨圈圆形顶铁钢丝绳(接起重设备)顶镐机顺铁运土机挖土立板兼作后背（或垫钢板）后背方木后背顶铁导轨木轨基坑道板横铁混凝土基坑排水层工作井断面立板方木管子顺铁顶镐撑铁撑木水准点排水层混凝土基础工作井底部平面工作井长度L图2-17 普通顶管施工布置示意立铁（一）设置工作井及后背墙1工作井的设置选址

41、顶管工作井是顶管施工时在现场设置的临时性设施，包括后背、导轨和基础等，工作井是人、机械、材料较集中的活动场所，因此，选择工作井的位置应考虑以下原则：1）有可利用的坑壁原状土作后背；（2）尽量选择在管线上的附属构筑物如检查并处；（3）工作井处应便于排水、出土和运输，并具有堆放少量管材及暂存土的场地；（4）工作井尽量远离建筑物；（5）单向顶进时工作井宜设在下游一侧。种类152534图2-18 工作井种类1-单向顶进井；2-双向顶进井；3-多向顶进井；4-转角顶进井；5-接受井 从工作井的使用功能上有单向顶进井、双向顶进井、多向顶进井及转角顶进井，见图2-18。工作井实质上是一方形或圆形小基坑，其支

42、护类型同普通基坑一样有多种形式，包括地下连续墙、柱列式钻孔灌注桩、钢板桩、树根桩和搅拌柱等形式，与一般基坑不同的是因其平面尺寸较小，其支护还经常采用钢筋混凝土沉井。在管径大于等于1.8m或顶管埋深大于等于5.5m时普遍采用钢筋混凝土沉井作为顶进工作井。采用沉井作为工作井时，为减少顶管设备的转移，一般采用双向顶进俪当采用钢板桩工作井时，为确保后座土体稳定，一般采用单向顶进。尺寸 一般开挖工作井，其底部的平面尺寸应根据管径大小、管节长度、操作设备、出土方式及后背长度等不同情况而定。当上下游管线的夹角170时，一般采用直线顶进工作井，即矩形工作井，普遍采用的矩形工作井平面尺寸根据表2-1选用；当上下

43、游管线的夹角170时，一般采用圆形工作井。表2-1 矩形工作井平面尺寸选用表（m）顶管内径(mm)顶进井(宽长)接收井(宽长)顶管内径(mm)顶管井(宽长)接收井(宽长)80012003.57.53.54.05.0180020004.58.04.55.06.0135016504.08.04.04.05.0220024005.09.05.05.06.0注：采用泥水平衡顶管施工时，其顶进井的宽度应在其一侧增加1m宽度以布置泥水旁通装置工作井的平面位置应符合设计管位要求，尽量避让地下管线，减小施工扰动后的影响。工作井与周围建筑物及地下管线的最小平面距离应根据现场地质条件及工作井施工方法而定。采用钢板

44、桩或沉井法施工的工作井，其地面影响范围一般按井深的1.5倍计算，在此范围内的建筑物和管线等应采取必要的技术措施加以保护。基础 基础的形式取决于基底的土质、管节的重要性以及地下水位的情况，一般有以下3种形式可供参考：（1）土槽木枕基础。适用于土质较好，又无地下水的工作井。这种基础施工操作简便、用料少，可在方木上直接铺设导轨，见图2-19。（2）卵石木枕基础。适用于地下水位不高，但地基土为细粉砂或亚砂土近饱和状，安装过程中有可能被扰动，可采用卵石木枕基础，见图2-20。（3）混凝土木枕基础。适用于地下水位高，同时地基土质又差的工作井。混凝土的强度等级不低于C18级，厚度为20cm（不应小于该处井室

45、的基础加垫层厚度），浇注宽度较枕木长50cm为宜，并在混凝土内部埋设15cm15cm的方木作轨枕（方木埋人混凝土的一面包油毡一层）。这种基础不扰动地基土，能承受较大的荷载，见图221。90a)导轨顶进方向C10混凝土基础必要时加铺卵石100150木轨基150150与混凝土接触面处包油毡一层C10混凝土基础导轨钉顶进方向导轨木轨基150150与混凝土接触面处包油毡一层必要时加铺卵石1001504012380150b)c)图2-21 混凝土木枕基础a)纵铺混凝土轨枕基础； b)横铺混凝土轨枕基础； c)木轨枕卧入混凝土的高度1240cm卵形基础40cm12粗砂填缝图2-19 土槽木枕基础1-导轨；

46、 2-方木图2-20 卵石木枕基础1-导轨； 2-方木5导轨导轨安装是顶管施工中的一项重要工作，安装的准确与否直接影响管子的顶进质量，因此导轨宜选用钢质材料制作，并应有足够的刚度，其安装要求如下：（1）两导轨应平行、等高，或略高于该处管道的设计高程，其坡度应与管道坡度一致。（2）安装后的导轨应牢固，不得在使用中产生位移，并应经常检查校核。（3）两导轨的间距可按下式计算（见图2-22）：A0=A+a图2-22 导轨安装间距计算图式中：A0两导轨的中距(mm) A 两导轨上部的净距(mm) A 导轨的上顶宽度(mm) D 管外径(mm) h 导轨高度(mm) e 管外底距枕木的距离(一般为1025

47、mm)2后背墙的设置可以利用坑壁原土作后背墙，但要满足以下要求：图2-23 后背墙装配图1-撑板（木板或钢板）；2-支撑方木；3-撑杠；4后背方木；5-立铁；6-横铁；7-木板；8-护木；9-导轨；10-轨枕12345678910原土500mm（1）后背土壁应铲修平整，并使壁面与管道顶进方向垂直。（2）在平直的土壁或撑板前横排15cm15cm方木，与土壁或撑板贴紧，方木前可设置立铁，立铁前再横向叠放15cm40cm横铁，见图2-23。（3）方木应卧到工作井以下一定深度，使顶镐的着力中心高度不小于方木后背高度的1/3。（4）靠坑壁横排方木的面积（F），可根据土质允许承载力（一般土：150kPa；

48、湿度较大的粉砂：100kPa；比较干的粘土、亚粘土及密实的砂土：200kPa）计算。（二）安装顶管工具管选择合适的顶管工具管并安装就位，工具管的形式请参阅本节前面部分。（三）挖土与顶进管前挖土是控制管节顶进方向和高程、减少偏差的重要作业，是保证顶管质量及管上构筑物安全的关键。因此管前挖土顶进有如下要求：（1）关于管前挖土的长度a.在一般顶管地段，土质良好，可超前管端3050cm；b.在铁路道轨下不行超前管端以外10cm，并随挖随顶，在道轨以外最大不得超过30cm，同时应遵守管理单位的规定。（2）关于管子周围的超挖a.在不允许土体下沉的顶管地段（如上顶有重要构筑物或其他管道），管子周围一律不得超

49、挖；b.在一般顶管地段，上面允许超挖1.5cm，但在下面135范围内不得超挖，一定保持管壁与土基表面吻合，参见图2-24。（3）安装管帽图2-24 超挖示意图图2-25 管帽示意图在土层松散或有流砂的地段顶管时，为了防止土方坍落，保证安全和便于挖土操作，在首节管前端可安装管帽见图2-25，将管帽顶入土中后便可在帽檐下挖土。帽檐的长度L，应根据土质情况而定，有关的经验计算公式为：L=D/(tan)式中：L 帽檐的长度(mm) D 管子的外径(mm) 土壤的内摩擦角（）（4）顶进a.顶进开始时，应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进；b.顶进中若发现油路压力突然增高，应停止顶进，检查

50、原因并经过处理后方可继续顶进，回镐时，油路压力不得过大，速度不得过快；c.挖出的土方要及时外运，及时顶进，使顶力限制在较小范围内。（5）安装工具胀圈（临时连接）图2-26 工具内涨圈示意图为了防止钢筋混凝土管在顶管中错口，有利于导向，顶进的前数节管中，在接口处应安装内胀圈，通过背楔或调整螺栓，使胀圈与管壁胀紧成为一个刚体。胀圈一定要对正接口缝隙，安装牢固，并在顶进中随时检查调整（工具胀圈参见图2-26）。（6）顶钢管顶进钢管必须在顶进前采取外防腐层的保护措施（根据具体情况制定）。其管节接口是在顶进前于工作井内进行，采用永久性的焊接。（四）测量与纠偏测量 在顶进过程中，要经常测量，防止管道偏离轴

51、线。a.在顶第一节管（工具管）时，以及在校正偏差过程中，测量间隔不应超过30cm，保证管道人土的位置正确；管道进入土层后的正常顶进，测量间隔不宜超过100cm。图2-27 小线垂球延长法测量中心示意小线中心桩水准器刻度中心尺中心尺小线垂球顶镐b中心测量。顶进长度在60m范围内，可采用垂球拉线的方法进行测量，要求两垂球的间距尽可能地拉大，用水平尺测量头一节管前端的中心偏差（参见图2-27）。一次顶进超过60m应采用经纬仪或激光导向仪测量（即用激光束定位）。C高程测量。用水准仪及特制高程尺根据工作井内设置的水准点标高（设两个），测量第一节管前端与后端管内底高程，以掌握第一节管子的走向和趋势。测量后

52、应与工作井内另一水准点闭合。d激光测量。将激光经纬仪（激光束导向）安装在工作井内，并按照管线设计的坡度和方向调整好，同时在管内装上标示牌，当顶井的管道与设计位置一致时，激光点即可射到标示牌中心，说明顶进无偏差，否则根据偏差量进行校正。e全段顶完后，应在每个管节接口处测量其中心位置和高程，有错口时，应测出错口的高差。纠偏 管道偏离轴线主要是由于作用于工具管的外力不平衡造成的，外力不平衡的主要原因有：a推进管线不可能绝对在一直线上；b管道截面不可能绝对垂直于管道轴线；C管节之间垫板的压缩性不完全一致；d顶管迎面阻力的合力不与顶管后端推进顶力的合力重合一致；e推进的管道在发生挠曲时，沿管道纵向的一些

53、地方会产生约束管道挠曲的附加抗力。上述几条原因造成的直接结果就是顶管顶力产生偏心，要了解各接头上实际顶推合力与管道轴线的偏心度，只能随时监测顶进中管节接缝上的不均匀压缩情况，从而推算接头端面上应力分布状况及顶推合力的偏心度，并以此调整纠偏幅度，防止因偏心度过大而使管节接头压损或管节中部出现环向裂缝。顶管误差校正是逐步进行的，形成误差后不可立即将已顶好的管子校正到位，应缓缓进行，使管子逐渐复位，不能猛纠硬调，以防产生相反的结果。常用的方法有以下3种：a超挖纠偏法。偏差为l2cm时，可采用此法，即在管子偏向的反侧适当超挖，而在偏向侧不超挖甚至留坎，形成阻力，使管节在顶进中向阻力小的超挖侧偏向，逐渐

54、回到设计位置。b顶木纠偏。偏差大于2cm时，在超挖纠偏不起作用的情况下可用此法。用圆木或方木的一端顶在管子偏向的另一侧内管壁上，另一端斜撑在垫有钢板或木板的管前土壤上，支顶牢固后，即可顶进，在顶进中配合超挖纠偏法，边顶边支。利用顶进时斜支撑分力产生的阻力，使顶管向阻力小的一侧校正。C千斤顶纠偏法。方法基本同顶木纠偏法，只是在顶木上用小千斤顶强行将管节慢慢移位校正。三、施工质量标准采用上述各项施工技术措施的目的在于保证顶管施工的顺利进行和确保施工质量。顶管施工质量标准主要有以下几条；（1）顶进不偏移，管节不错口，管底坡度不得有倒落水；（2）顶管接口套环应对正管缝与管端外周，保证密贴，管端垫板粘牢不脱落；（3）管内填料和顺，不流淌，橡胶圈安放正确；（4）管节不得有裂缝，不渗水，管内不得有泥土和建筑垃圾等杂物；（5）顶管允许偏差，见表2-2。表2-2 顶管允许偏差序号项 目允许偏差(mm)检验频率检验方法距离100m距离100m范围点数1中线位移50100每段1点经纬仪测量2管内底高程1500mm+30 -40+60 -80每段1点水准仪测量管内底高程1500mm+40 -50+80 -100每段1点水准仪测量3相邻管节错口15，无碎裂每段1点钢尺量4内腰箍不渗漏每段1点外观检查5橡胶止水圈不脱出每段1点外观检查